JP2014508709A - Polysilanesiloxane copolymer and method for converting to silicon dioxide - Google Patents

Polysilanesiloxane copolymer and method for converting to silicon dioxide Download PDF

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Abstract

無機ポリシランシロキサン(PSSX)コポリマーと、基板表面上に無機ポリシランシロキサン(PSSX)コポリマーを作製及び適用する方法とを提供する。このPSSXコポリマーは、穏やかな酸化条件下で基板上に高密度二酸化ケイ素層を形成するのに有益である。PSSXコポリマーは、Si(OH)(式中、y及びzは、(2y+z)≦(2x+2)の関係により規定され、xは4又は5のいずれかである)単位を含む。より詳細には、PSSXコポリマーは、Si−C共有結合を含まない。Inorganic polysilane siloxane (PSSX) copolymers and methods for making and applying inorganic polysilane siloxane (PSSX) copolymers on a substrate surface are provided. This PSSX copolymer is beneficial for forming a dense silicon dioxide layer on a substrate under mild oxidizing conditions. PSSX copolymers contain Si x O y (OH) z , where y and z are defined by the relationship (2y + z) ≦ (2x + 2), where x is either 4 or 5. More particularly, PSSX copolymers do not contain Si-C covalent bonds.

Description

本開示は一般に、無機ポリシラン−ポリシロキサン樹脂と、電子デバイスにおけるそれらの使用とに関する。より詳細には、本開示は、ポリシランシロキサン(PSSX)コポリマーの調製と、これらのコポリマーを使用して、穏やかな条件下で高密度二酸化ケイ素層に変換され得るスピン−オンフィルムを形成する方法と、に関する。   The present disclosure relates generally to inorganic polysilane-polysiloxane resins and their use in electronic devices. More particularly, the present disclosure describes the preparation of polysilane siloxane (PSSX) copolymers and methods of using these copolymers to form spin-on films that can be converted to a dense silicon dioxide layer under mild conditions. , Regarding.

高密度二酸化ケイ素(SiO)層は、通常、誘電体又はバリア材として電子デバイスにおいて使用されている。これらの高密度層は、化学気相蒸着(CVD)プロセス又はスピンオン堆積(spin-on deposition)(SOD)プロセスのいずれかを用いて形成され得る。CVDプロセスでは、二酸化ケイ素が電子デバイスの表面上に直接蒸着されるように、揮発性前駆体が気相中で反応される。代替的に、SODプロセスは、樹脂性前駆体を電子デバイスの表面に適用することを含む。これらの樹脂性前駆体は表面上にフィルムを形成し、続いて前記フィルムが酸化されて二酸化ケイ素を形成する。SODプロセスの使用により、より低いコスト及び複雑なパターン内に形成される隙間を被覆する能力を含む、CVDプロセスにまさるいくつかの利点が提供される。 High density silicon dioxide (SiO 2 ) layers are typically used in electronic devices as dielectrics or barrier materials. These dense layers can be formed using either a chemical vapor deposition (CVD) process or a spin-on deposition (SOD) process. In the CVD process, volatile precursors are reacted in the gas phase such that silicon dioxide is deposited directly on the surface of the electronic device. Alternatively, the SOD process includes applying a resinous precursor to the surface of the electronic device. These resinous precursors form a film on the surface, which is subsequently oxidized to form silicon dioxide. The use of the SOD process provides several advantages over the CVD process, including lower cost and the ability to cover gaps formed in complex patterns.

有機ポリシランシロキサン(PSSX)は、ポリシラン単位とポリシロキサン単位との混成を含むコポリマーの分類を表す。PSSXコポリマーは、本質的に、線状又は樹脂状のいずれでもよい。線状PSSXコポリマーは、従来、米国特許第4,618,666号に記載されているようなCl(SiMeClなどのジクロロオリゴシランの加水分解重縮合を介して、米国特許第5,312,946号に記載されているような、例えばCl(SiMeClとHO(SiMeOHとの間など、ジクロロオリゴシランとオリゴシランジオールとの間で起こる重縮合を介して、又は日本公開特許第H04−065427号に記載されているような(SiMeOなどの環状シラエーテルの開環重合(ROP)を介して合成される。樹脂性PSSXコポリマーは、従来、ジクロロジメチルシランの製造にて直接プロセス残留物(DPR)又は副産物として形成されたクロロメチルジシランの加水分解縮合を介して合成される。ポリシランシロキサン(PSSX)コポリマーに関連した組成、合成、特性、及び用途に関するより完全な記載は、Plumb及びAthertonによりCopolymers Containing Polysiloxane Blocks,Wiley,New York,(1973),305〜53頁に発表された原稿、及びChojnowski,et al.が著しProgress in Polymer Science,28(5),(2003),691〜728頁に発表された記事に見出すことができる。 Organopolysilanesiloxane (PSSX) represents a class of copolymers that include a hybrid of polysilane units and polysiloxane units. The PSSX copolymer may be essentially linear or resinous. Linear PSSX copolymers are conventionally obtained via hydrolytic polycondensation of dichlorooligosilanes such as Cl (SiMe 2 ) 6 Cl as described in US Pat. No. 4,618,666, US Pat. 946, via polycondensation that occurs between dichloro-oligosilane and oligosilanediol, such as, for example, between Cl (SiMe 2 ) 6 Cl and HO (SiMe 2 ) 6 OH, or Japan It is synthesized via ring-opening polymerization (ROP) of cyclic silaethers such as (SiMe 2 ) 4 O as described in published patent application H04-0665427. Resinous PSSX copolymers are conventionally synthesized via hydrolysis condensation of chloromethyldisilane formed as a direct process residue (DPR) or byproduct in the production of dichlorodimethylsilane. A more complete description of the composition, synthesis, properties, and applications related to polysilanesiloxane (PSSX) copolymers was published by Polymer and Consolidating Polysiloxane Blocks, Wiley, New York, (1973), pages 305-53 by Plumb and Atherton. Manuscripts and Chojnowski, et al. Can be found in the article published in Progress in Polymer Science, 28 (5), (2003), pages 691-728.

有機PSSXコポリマーは、相当な数の有機官能部分を含む。換言すれば、有機PSSXコポリマーは、相当な数のSi−C結合を含む。二酸化ケイ素(SiO)層を形成するには、これらの有機部分を除去する必要がある。残念なことに、これら有機基の除去により、望ましくない高い重量損失、大きい収縮、及び、形成された二酸化ケイ素層中での間隙の形成が生じる。それ故、有機PSSXコポリマーは、電子デバイスにおける高密度二酸化ケイ素層を作製するのに好適な又は望ましい前駆体ではない。 Organic PSSX copolymers contain a substantial number of organic functional moieties. In other words, the organic PSSX copolymer contains a substantial number of Si-C bonds. In order to form a silicon dioxide (SiO 2 ) layer, it is necessary to remove these organic portions. Unfortunately, removal of these organic groups results in undesirably high weight loss, large shrinkage, and formation of gaps in the formed silicon dioxide layer. Therefore, organic PSSX copolymers are not suitable or desirable precursors for making high density silicon dioxide layers in electronic devices.

列挙した関連技術の欠点及び他の制限を克服するために、本開示は、基板上に二酸化ケイ素層を形成するのに使用される無機ポリシランシロキサン(PSSX)コポリマーを供給する。PSSXコポリマーは、Si(OH)(式中、y及びzは、(2y+z)≦(2x+2)の関係により規定され、式中、y及びzは、0以上の数であり、xは、4又は5のいずれかである)単位を含む。より詳細には、PSSXコポリマーは、Si−C共有結合を含まない。 To overcome the shortcomings and other limitations of the related arts listed, the present disclosure provides inorganic polysilane siloxane (PSSX) copolymers that are used to form a silicon dioxide layer on a substrate. PSSX copolymer is defined as Si x O y (OH) z , where y and z are defined by the relationship (2y + z) ≦ (2x + 2), where y and z are numbers greater than or equal to 0, x Are units of either 4 or 5. More particularly, PSSX copolymers do not contain Si-C covalent bonds.

本開示の一態様によれば、所定の数のモノマーをアルコールなどのプロトン性溶媒中に混合し、制御可能な条件下で加水分解してPSSXポリマーを形成する、ポリシランシロキサン(PSSX)コポリマーの調製方法を提供する。加水分解は、プロトン性溶媒中で過剰な酸性水を使用することによって促進されることが好ましい。モノマーは、ペルアルコキシオリゴシラン、アルコキシクロロオリゴシラン、及びこれらの混合物の群から1つ選択される。これらのモノマーのいくつかの例としては、Si[Si(OMe)、Si[Si(OMe)[Si(OMe)Cl]、HSi[Si(OMe)、及びこれらの混合物が挙げられるがそれらに限定されず、式中、Meはメチル基を指す。 According to one aspect of the present disclosure, a polysilanesiloxane (PSSX) copolymer is prepared by mixing a predetermined number of monomers in a protic solvent such as an alcohol and hydrolyzing under controllable conditions to form a PSSX polymer. Provide a method. Hydrolysis is preferably facilitated by using excess acidic water in a protic solvent. The monomer is selected from the group of peralkoxyoligosilanes, alkoxychlorooligosilanes, and mixtures thereof. Some examples of these monomers include Si [Si (OMe) 3 ] 4 , Si [Si (OMe) 3 ] 3 [Si (OMe) 2 Cl], HSi [Si (OMe) 3 ] 3 , and Examples thereof include, but are not limited to, and Me represents a methyl group.

本開示において好ましく使用されるアルコキシクロロオリゴマーは、一般式:HSi(OR)Cl(式中、Rは、エチル又はメチル基などのアルキル基であり;wは、0又は1のいずれかであり;xは、4又は5のいずれかであり;y及びzは、0以上の数であり、(y+z)は、w=0及びx=5のとき(2x+2)と等しく、又はw=1及びx=4のとき(y+z)=9である)を有する。 The alkoxychloro oligomer preferably used in the present disclosure has the general formula: H w Si x (OR) y Cl z (wherein R is an alkyl group such as ethyl or methyl group; w is 0 or 1 X is either 4 or 5; y and z are numbers greater than or equal to 0, and (y + z) is equal to (2x + 2) when w = 0 and x = 5, or w = 1 and x = 4 (y + z) = 9).

本開示の別の態様によれば、上述したようなPSSXコポリマーを使用する、基板上に二酸化ケイ素層を形成する方法を提供する。この方法では、電子デバイスなどの基板にPSSXコポリマーを適用して、PSSXフィルムを形成する。より詳細には、PSSXコポリマーは、スピンコーティング、フローコーティング、又はディップコーティングによって基板に適用される。PSSXコポリマーは、コポリマーの調製に使用するプロトン性又は加水分解溶媒中でも、基板に適用されてもよい。任意に、プロトン性溶媒は、PSSXコポリマーを基板に適用する前に、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート(PGMEA)などの別のフィルム形成溶媒で置き換えられてもよい。   According to another aspect of the present disclosure, a method of forming a silicon dioxide layer on a substrate using a PSSX copolymer as described above is provided. In this method, a PSSX copolymer is applied to a substrate such as an electronic device to form a PSSX film. More particularly, the PSSX copolymer is applied to the substrate by spin coating, flow coating, or dip coating. The PSSX copolymer may be applied to the substrate, even in the protic or hydrolytic solvent used to prepare the copolymer. Optionally, the protic solvent may be replaced with another film-forming solvent such as propylene glycol monomethyl ether acetate (PGMEA) before applying the PSSX copolymer to the substrate.

PSSXフィルムは穏やかに酸化されて、基板上に二酸化ケイ素層を形成する。酸化プロセスは通常、蒸気又は酸素ガスの群から選択される1つにPSSXフィルムを暴露する工程と、前記フィルムを所定の時間、約600℃未満に加熱する工程と、を含む。任意に、本方法はまた、更に、窒素ガスなどの不活性雰囲気下で二酸化ケイ素層をアニーリングして、層の密度を増大させる工程を含んでもよい。この二酸化ケイ素層は、電子デバイスにおいて誘電体又はバリア材として使用されてもよい。   The PSSX film is gently oxidized to form a silicon dioxide layer on the substrate. The oxidation process typically includes exposing the PSSX film to one selected from the group of steam or oxygen gas and heating the film to less than about 600 ° C. for a predetermined time. Optionally, the method may further comprise annealing the silicon dioxide layer under an inert atmosphere such as nitrogen gas to increase the density of the layer. This silicon dioxide layer may be used as a dielectric or barrier material in electronic devices.

適用性の更なる範囲は、本明細書に提供する記載から明らかとなるであろう。記載及び具体例は、説明のみを目的とし、本開示の範囲を限定することを意図するものではないことを理解するべきである。   Further scope of applicability will become apparent from the description provided herein. It should be understood that the description and specific examples are intended for purposes of illustration only and are not intended to limit the scope of the present disclosure.

本明細書に記載した図面は、説明のみを目的とし、本開示の範囲の如何なる限定を意図するものでもない。
1A〜1Hは本開示の教示によるPSSXコポリマーの調製に使用され得るいくつかの異なるペルアルコキシオリゴシラン又はアルコキシクロロオリゴシランモノマーに関連した式の略図。 本開示の一態様による、PSSXコポリマーの調製、基板上のPSSXフィルムの形成、及びフィルムの二酸化ケイ素層への変換に使用される方法の略図。 本開示の一態様によるPSSXフィルムの酸化により作製された二酸化ケイ素層に関する、フーリエ変換赤外(FTIR)分光法により測定された吸収スペクトルのグラフ表示。 本開示の一態様に従って調製したPSSXコポリマーのゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)により得られた溶出プロファイルのグラフ表示。
The drawings described herein are for illustrative purposes only and are not intended to limit in any way the scope of the present disclosure.
1A-1H are schematic representations of formulas related to several different peralkoxy oligosilane or alkoxy chloro oligo silane monomers that can be used in the preparation of PSSX copolymers in accordance with the teachings of this disclosure. 1 is a schematic illustration of the methods used to prepare PSSX copolymer, form a PSSX film on a substrate, and convert the film to a silicon dioxide layer according to one aspect of the present disclosure. 1 is a graphical representation of an absorption spectrum measured by Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy for a silicon dioxide layer made by oxidation of a PSSX film according to one embodiment of the present disclosure. 2 is a graphical representation of an elution profile obtained by gel permeation chromatography (GPC) of a PSSX copolymer prepared according to one embodiment of the present disclosure.

以下の記載は本来、単なる例示であり、本開示又はその用途若しくは使用を限定することを意図するものでは全くない。記載及び図面の全体において、対応する参照番号は、同様の又は対応する部分及び機構を示すことを理解するべきである。   The following description is merely exemplary in nature and is in no way intended to limit the present disclosure or its application or use. It should be understood that throughout the description and drawings, corresponding reference numerals indicate like or corresponding parts and features.

本開示は一般に、Si−C結合を含まない無機ポリシランシロキサン(PSSX)コポリマー又は樹脂、及びこれらを作製する方法を提供する。本開示は更に、基板上にPSSXコポリマーを適用してPSSXフィルムを形成する方法、及び、フィルムを高密度二酸化ケイ素層に変換可能な穏やかな酸化硬化にPSSXフィルムを暴露する方法を提供する。   The present disclosure generally provides inorganic polysilane siloxane (PSSX) copolymers or resins that do not contain Si-C bonds, and methods of making them. The present disclosure further provides a method of applying a PSSX copolymer on a substrate to form a PSSX film, and a method of exposing the PSSX film to a mild oxidative cure that can convert the film into a dense silicon dioxide layer.

本開示の無機PSSXコポリマーを含むフィルムの酸化変換から形成された二酸化ケイ素層の密度は、PSSXコポリマー中にSi−Cが存在しないことにより利益を得る。無機PSSXコポリマーから形成された二酸化ケイ素層の密度はまた、1つのSi−Si結合を1つのSi−O−Si結合に変換することにより28%の質量増大と約11%の局所体積増大とがもたらされる利益を有する。加えて、Si−Si結合は酸化に対して反応性であり、穏やかな条件下で、例えば比較的低温で、Si−O−Si結合に容易に変換され得る。それ故、これらの無機PSSXコポリマーを使用して高密度二酸化ケイ素フィルムを形成することは、電子デバイスの製造に関連したコストを低減する利益を提供することができる。   The density of the silicon dioxide layer formed from the oxidative transformation of a film containing the inorganic PSSX copolymer of the present disclosure benefits from the absence of Si-C in the PSSX copolymer. The density of the silicon dioxide layer formed from the inorganic PSSX copolymer also has a 28% mass increase and about 11% local volume increase by converting one Si-Si bond to one Si-O-Si bond. Have the benefit to be brought. In addition, Si—Si bonds are reactive to oxidation and can be easily converted to Si—O—Si bonds under mild conditions, such as at relatively low temperatures. Therefore, using these inorganic PSSX copolymers to form high density silicon dioxide films can provide the benefits of reducing the costs associated with manufacturing electronic devices.

無機PSSXコポリマーは、ペルアルコキシオリゴシランモノマー、アルコキシクロロオリゴシランモノマー、又はこれらの混合物の制御された加水分解を介して、本開示の教示に従って調製される。本開示の一態様によれば、ペルアルコキシオリゴシラン及びアルコキシクロロオリゴシランモノマーは、(I)に示す一般式により表される組成を有する。
Si(OR)Cl (I)
(式中、Rは、アルキル基であり、好ましくはメチル(Me)又はエチル(Et)基であり;wは、0又は1のいずれかであり;xは、4又は5のいずれかであり;y及びzは、w=0及びx=5のとき(y+z)=(2x+2);又はw=1及びx=4のとき(y+z)=9の関係により規定される0以上の数である。)ここで図1、式A〜Hを参照すると、これらのモノマーの例として、中でも、Si[Si(OMe)(1A)、Si[Si(OMe)[Si(OMe)Cl](1B)、HSi[Si(OMe)(1C)、Si[Si(OEt)(1D)、Si[Si(OEt)[Si(OEt)Cl](1E)、HSi[Si(OEt)(1F)、Si[Si(OEt)[Si(OEt)Cl](1G)、及びSi[Si(OEt)][Si(OEt)Cl](1H)が挙げられるが、これらに限定されない。本明細書で使用されるMe及びEtは、それぞれメチル及びエチル基を指す。モノマーは、主産物として調製されてもよく、又はペルクロロネオペンタシラン、Si(SiClとアルコールとのアルコキシル化に由来する副産物として生じてもよい。Si(SiClのアルコキシル化は、所望のモノマーを反応の優勢な産物とする方法で行われる。
Inorganic PSSX copolymers are prepared according to the teachings of the present disclosure via controlled hydrolysis of peralkoxyoligosilane monomers, alkoxychlorooligosilane monomers, or mixtures thereof. According to one aspect of the present disclosure, the peralkoxyoligosilane and alkoxychlorooligosilane monomers have a composition represented by the general formula shown in (I).
H w Si x (OR) y Cl z (I)
Wherein R is an alkyl group, preferably a methyl (Me) or ethyl (Et) group; w is either 0 or 1; x is either 4 or 5. Y and z are numbers greater than or equal to 0 as defined by the relationship (y + z) = (2x + 2) when w = 0 and x = 5; or (y + z) = 9 when w = 1 and x = 4 ) Referring now to FIG. 1, formulas A-H, examples of these monomers include Si [Si (OMe) 3 ] 4 (1A), Si [Si (OMe) 3 ] 3 [Si (OMe), among others. ) 2 Cl] (1B), HSi [Si (OMe) 3 ] 3 (1C), Si [Si (OEt) 3 ] 4 (1D), Si [Si (OEt) 3 ] 3 [Si (OEt) 2 Cl ] (1E), HSi [Si (OEt) 3 ] 3 (1F), Si [Si (OEt) 3 ] 2 [Si (OEt) 2 Cl] 2 (1G) and Si [Si (OEt) 3 ] [Si (OEt) 2 Cl] 3 (1H), but are not limited to these. As used herein, Me and Et refer to methyl and ethyl groups, respectively. Monomers may be prepared as the main product or may be produced as a by-product derived from alkoxylation of perchloroneopentasilane, Si (SiCl 3 ) 4 and alcohol. The alkoxylation of Si (SiCl 3 ) 4 is carried out in a way that makes the desired monomer the dominant product of the reaction.

これらのモノマーを使用して無機ポリシランシロキサン(PSSX)コポリマーを形成してもよい。PSSXコポリマーは一般に、Si(OH)(式中、y及びzは、(2y+z)≦(2x+2)の関係により規定される0以上の数であり、xは、4又は5のいずれかである)単位を含む。特に、xは、望ましい場合、5である。本開示の教示に従って調製されたPSSXコポリマーは、Si−C共有結合を含まない。しかしながら、当業者は、PSSXコポリマーが、不純物に由来する、又は所望される場合に、本開示の範囲を超えることなく、少量のSi−C結合を含み得ることを理解するであろう。 These monomers may be used to form inorganic polysilanesiloxane (PSSX) copolymers. PSSX copolymers are generally Si x O y (OH) z , where y and z are numbers greater than or equal to 0 as defined by the relationship (2y + z) ≦ (2x + 2), where x is either 4 or 5 Unit). In particular, x is 5 if desired. PSSX copolymers prepared in accordance with the teachings of this disclosure do not contain Si—C covalent bonds. However, those skilled in the art will appreciate that PSSX copolymers can contain small amounts of Si-C bonds, if derived from impurities or desired, without exceeding the scope of the present disclosure.

ここで図2を参照すると、本開示の一態様によるPSSXコポリマーを調製する方法(1)は、ペルアルコキシオリゴシラン又はアルコキシクロロオリゴシランモノマーを提供する工程(5)と、モノマーをアルコールなどのプロトン性溶媒中に混合して反応混合物を形成する工程(10)と、を含む。次いで、この反応混合物中のモノマーを所定の及び制御可能な条件下で加水分解して(15)PSSXコポリマーを形成する。これらのモノマーは、溶媒中に存在する過剰な量の酸性水の使用により、プロトン性溶媒中で加水分解されてもよい。   Referring now to FIG. 2, method (1) of preparing a PSSX copolymer according to one aspect of the present disclosure includes a step (5) of providing a peralkoxyoligosilane or alkoxychlorooligosilane monomer, and the monomer as a protic solvent such as an alcohol. Mixing in to form a reaction mixture (10). The monomers in the reaction mixture are then hydrolyzed under predetermined and controllable conditions to form (15) PSSX copolymer. These monomers may be hydrolyzed in protic solvents by using an excess amount of acidic water present in the solvent.

尚図2を参照すると、プロトン性加水分解溶媒中で調製されるようなPSSXコポリマー又は樹脂を使用して高密度二酸化ケイ素層を形成する方法(2)が示されている。この方法(2)では、最初に基板を供給する(20)。この基板は、電子デバイスであることが好ましい。しかしながら、当業者は、本明細書に含まれる教示に従って作製及び使用されるPSSXコポリマーは、システムと使用方法を説明するために、電子デバイス内の高密度誘電層又はバリア層の形成と併せて記載されることを理解するであろう。このようなPSSXコポリマーを組み込んで及び使用して他の基板上に二酸化ケイ素層を形成することは、本開示の範囲内であると想定される。   Still referring to FIG. 2, a method (2) of forming a high density silicon dioxide layer using a PSSX copolymer or resin as prepared in a protic hydrolysis solvent is shown. In this method (2), a substrate is first supplied (20). This substrate is preferably an electronic device. However, those skilled in the art have described PSSX copolymers made and used in accordance with the teachings contained herein, in conjunction with the formation of high density dielectric or barrier layers in electronic devices to illustrate the system and method of use. You will understand that It is envisioned that it is within the scope of this disclosure to incorporate and use such PSSX copolymers to form silicon dioxide layers on other substrates.

PSSXコポリマーを基板の表面に適用して(25)PSSXフィルムを形成してもよい。代替的に、PSSXコポリマーを基板の表面に適用する前に、プロトン性溶媒を、中でもプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート(PGMEA)などの、他の通常のフィルム形成溶媒と交換してもよい(30)。モノマー濃度、溶媒、酸性度、SiOMe:HOのモル比、反応時間、溶媒交換手順、及び他の反応条件を最適化して、卓越した薄フィルム形成特性を示す、安定なPSSXコポリマーを作製することができる。PSSXコポリマーは、スピンコーティング、フローコーティング、及びディップコーティングを含むがこれらに限定されない当業者に既知の任意の従来技術を用いて、基板の表面に適用されてもよい。例えば、無機PSSX樹脂は、約2000rpmの静的回転速度で約20秒間、を含む標準的なスピンコーティング手順によりシリコンウェハ基板上に堆積されて、無欠陥フィルムを形成してもよい。 A PSSX copolymer may be applied to the surface of the substrate (25) to form a PSSX film. Alternatively, prior to applying the PSSX copolymer to the surface of the substrate, the protic solvent may be exchanged with other conventional film-forming solvents such as propylene glycol monomethyl ether acetate (PGMEA) (30). Optimize monomer concentration, solvent, acidity, SiOMe: H 2 O molar ratio, reaction time, solvent exchange procedure, and other reaction conditions to create stable PSSX copolymers that exhibit outstanding thin film-forming properties be able to. The PSSX copolymer may be applied to the surface of the substrate using any conventional technique known to those skilled in the art including, but not limited to, spin coating, flow coating, and dip coating. For example, the inorganic PSSX resin may be deposited on a silicon wafer substrate by a standard spin coating procedure that includes about 20 seconds at a static rotational speed of about 2000 rpm to form a defect-free film.

PSSXフィルムを最終的に酸化して(35)高密度二酸化ケイ素層に変換する。例えば、フィルムをホットプレート上で穏やかに焼き付け、炉内にて穏やかな酸化条件下で所定時間硬化させてもよい。ここで図3を参照すると、PSSXフィルムを蒸気又は酸素の存在中、400℃以上の温度で二酸化ケイ素に変換することができる。酸化的条件の穏やかさは、シリコン基板上の比較的薄い、例えば約19Åの酸化物層の形成によって示される。550℃での蒸気硬化後に収集したFTIRスペクトルは、二酸化ケイ素に関連した強い赤外吸収を約1080、800、及び460cm−1に示す。当業者は、約1080cm−1の最も強い吸収が二酸化ケイ素内のSi−O結合の伸縮に起因するとともに、約800及び約460cm−1のより弱い吸収がそれぞれ、二酸化ケイ素内のO−Si−O及びSi−O−Si結合に関連した変角モードにより生じることを理解するであろう。 The PSSX film is finally oxidized (35) to convert it to a dense silicon dioxide layer. For example, the film may be gently baked on a hot plate and cured in a furnace under mild oxidizing conditions for a predetermined time. Referring now to FIG. 3, the PSSX film can be converted to silicon dioxide at a temperature of 400 ° C. or higher in the presence of steam or oxygen. The mildness of the oxidative condition is indicated by the formation of a relatively thin oxide layer on the silicon substrate, for example about 19 mm. The FTIR spectrum collected after vapor curing at 550 ° C. shows strong infrared absorption associated with silicon dioxide at about 1080, 800, and 460 cm −1 . Those skilled in the art, with the strongest absorption of approximately 1080 cm -1 is due to expansion and contraction of the Si-O bond in the silicon dioxide, each weaker absorption of about 800 and about 460 cm -1, O-Si- in the silicon dioxide It will be understood that this is caused by the bending modes associated with O and Si-O-Si bonds.

任意に、二酸化ケイ素層の密度を、窒素などの不活性雰囲気下で高温アニーリング(40)に暴露して、更に増大してもよい。そのような二酸化ケイ素の更なる高密度化により、層がフッ化水素酸によるエッチングに対して耐性となる。例えば、PSSXフィルム及び従来の水素シルセスキオキサン(HSQ)フィルムを同一の基板に適用し、類似した条件下で、蒸気中にて550℃で30分間、及び窒素中にて850℃で30分間、酸化又は硬化させた。PSSXフィルムから得られた二酸化ケイ素層は、希釈100:1のHFエッチング液に暴露した際、76Å/分のエッチング速度を示した。比較すると、このエッチング速度は、HSQフィルム(対照)から得られた二酸化ケイ素層にて測定された125Å/分のエッチング速度よりも遥かに低いものとして観察された。   Optionally, the density of the silicon dioxide layer may be further increased by exposure to high temperature annealing (40) under an inert atmosphere such as nitrogen. Such further densification of silicon dioxide makes the layer resistant to etching with hydrofluoric acid. For example, a PSSX film and a conventional hydrogen silsesquioxane (HSQ) film are applied to the same substrate, and under similar conditions, in steam at 550 ° C. for 30 minutes and in nitrogen at 850 ° C. for 30 minutes. Oxidized or cured. The silicon dioxide layer obtained from the PSSX film exhibited an etch rate of 76 Å / min when exposed to a diluted 100: 1 HF etchant. In comparison, this etch rate was observed to be much lower than the 125 Å / min etch rate measured on the silicon dioxide layer obtained from the HSQ film (control).

以下の具体例は、本発明を説明するよう提供され、本発明の範囲を限定すると解釈するべきではない。   The following specific examples are provided to illustrate the invention and should not be construed to limit the scope of the invention.

実施例1−モノマーの調製
この実施例では、1033グラムのトルエンに溶解した261グラムのSi(SiClを、448mlのメタノールと混合した。反応混合物から低沸点副産物の全てを除去し、合計209グラムのメトキシ化粗生成物を単離した。粗生成物を1154mlのメタノール中に所定の時間、再混合して、生成物を精製した。メタノールを除去した後、合計206gの高純度Si[Si(OMe)を回収した。この反応からの、モノマー、Si[Si(OMe)の得られた純度は90%を超え、総収率は約87%であった。生成物の構造及び純度は、ガスクロマトグラフィー(GC)、ガスクロマトグラフィー−質量分析法(GC−MS)、核磁気共鳴(NMR)、ラマン分光法、及びUV−Vis分光法を用いて確認した。当業者は、GC、GC−MS、NMR、ラマン、及びUV−Visが、化学反応にて調製された材料の組成及び純度を確認するのに使用される通常の技術であることを理解するであろう。
Example 1 Preparation of Monomer In this example, 261 grams of Si (SiCl 3 ) 4 dissolved in 1033 grams of toluene was mixed with 448 ml of methanol. All low boiling byproducts were removed from the reaction mixture and a total of 209 grams of the methoxylated crude product was isolated. The crude product was remixed in 1154 ml of methanol for a predetermined time to purify the product. After removing the methanol, a total of 206 g of high purity Si [Si (OMe) 3 ] 4 was recovered. The resulting purity of the monomer, Si [Si (OMe) 3 ] 4 from this reaction was over 90% and the total yield was about 87%. The structure and purity of the product was confirmed using gas chromatography (GC), gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS), nuclear magnetic resonance (NMR), Raman spectroscopy, and UV-Vis spectroscopy. . One skilled in the art will understand that GC, GC-MS, NMR, Raman, and UV-Vis are common techniques used to confirm the composition and purity of materials prepared in chemical reactions. I will.

実施例2−PSSXコポリマーの調製
この実施例では、16.66グラムのSi[Si(OMe)を10.55グラムの0.1N HClを用いて、SiOMe:HOのモル比1:1.5にて、70.37グラムのエタノール中にて室温で3時間加水分解してPSSXコポリマーを形成した。次いで、138.22グラムのPGMEAを加え、溶液を51.20グラムに濃縮して安定な15重量%の樹脂溶液を得た。ここで図4を参照すると、PGMEA溶媒中のPSSXコポリマーは、ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)により、約15.5〜19.0分の溶出時間内で分離されることが示された。当業者は、測定されたGPC検出器レスポンスを重量分率に変換し得るとともに、装置の正確なキャリブレーションによって溶出時間を分子量スケールに変換することができることを理解するであろう。この実施例で調製したPSSXコポリマーは、約1500amuのオーダーの数平均分子量(M)と、約3500amuの重量平均分子量(M)を示す。
Example 2-Preparation of PSSX Copolymer In this example, 16.66 grams of Si [Si (OMe) 3 ] 4 was used with 10.55 grams of 0.1N HCl, a molar ratio of SiOMe: H 2 O of 1 At 1.5: hydrolyzed in 70.37 grams of ethanol at room temperature for 3 hours to form a PSSX copolymer. Then 138.22 grams of PGMEA was added and the solution was concentrated to 51.20 grams to obtain a stable 15 wt% resin solution. Referring now to FIG. 4, it has been shown that PSSX copolymers in PGMEA solvent are separated by gel permeation chromatography (GPC) within an elution time of about 15.5 to 19.0 minutes. One skilled in the art will appreciate that the measured GPC detector response can be converted to weight fractions and that the elution time can be converted to a molecular weight scale by accurate calibration of the instrument. The PSSX copolymer prepared in this example exhibits a number average molecular weight (M n ) on the order of about 1500 amu and a weight average molecular weight (M w ) of about 3500 amu.

理論に拘束されることを望むわけではないが、SiSi単位は、測定した29Si NMRデータ(図示せず)の解釈により決定されるように、コポリマー又は樹脂中で未変化のままであると考えられる。この実施例では、本開示の教示に従って調製したPSSXコポリマーは、[Si(OH)(OMe)(式中、x、y、及びzは、0以上の数であり、(2x+y+z)の和は12に等しい)の組成を示す。この樹脂はシラノール濃度が高いため、冷凍室内にて例えば−15℃で保管してもよく、樹脂は長期間安定した状態を保ち、即ち長いシェルフライフを示すであろう。 While not wishing to be bound by theory, the SiSi 4 units remain unchanged in the copolymer or resin as determined by interpretation of measured 29 Si NMR data (not shown). Conceivable. In this example, a PSSX copolymer prepared in accordance with the teachings of this disclosure is [Si 5 O x (OH) y (OMe) z ] n , where x, y, and z are numbers greater than or equal to zero; (The sum of (2x + y + z) is equal to 12). Because this resin has a high silanol concentration, it may be stored, for example, at −15 ° C. in a freezer, and the resin will remain stable for a long period of time, ie, exhibit a long shelf life.

当業者は、記載した測定値が、多様な異なる試験方法により得ることができる標準的な測定値であることを認識するであろう。実施例に記載した試験方法は、必要な測定値のそれぞれを得るために利用可能な方法を1つだけ表したにすぎない。   One skilled in the art will recognize that the measurements described are standard measurements that can be obtained by a variety of different test methods. The test methods described in the examples represent only one method that can be used to obtain each of the required measurements.

前述した本発明の様々な実施形態の記載は、説明及び記述を目的として提示されている。この記載は網羅的なものではなく、又は開示した実施形態そのものに本発明を限定することを意図するものではない。上記の教示に照らして、多数の修正又は変更が可能である。論じられた実施形態は、本発明の原理及びその実際的な適用の最良の説明を提供するよう選択及び記載され、それにより当業者は、想定される特定の使用に適した様々な修正とともに、本発明を様々な実施形態で使用することが可能となる。そのような修正及び変更の全ては、それらが公正に、法律的に、かつ公平に権利を与えられた広さに従って解釈された場合、添付の特許請求の範囲により決定される本発明の範囲内に含まれる。   The foregoing descriptions of various embodiments of the present invention have been presented for purposes of illustration and description. This description is not exhaustive or is intended to limit the invention to the precise embodiments disclosed. Many modifications or variations are possible in light of the above teaching. The discussed embodiments have been selected and described to provide the best description of the principles of the invention and its practical application, so that those skilled in the art can make various modifications suitable for the particular use envisioned, The present invention can be used in various embodiments. All such modifications and changes are intended to be within the scope of the present invention as determined by the appended claims when they are interpreted fairly, legally and fairly according to the extent to which they are entitled. include.

Claims (16)

基板上に二酸化ケイ素層を形成する際に使用されるポリシランシロキサン(PSSX)コポリマーであって、前記PSSXコポリマーが、Si(OH)(式中、y及びzは、(2y+z)≦(2x+2)の関係により規定される0以上の数であり、xは、4又は5のいずれかである。)単位を含む、ポリシランシロキサンコポリマー。 A polysilanesiloxane (PSSX) copolymer used in forming a silicon dioxide layer on a substrate, wherein the PSSX copolymer is Si x O y (OH) z , wherein y and z are (2y + z) ≦ (A number greater than or equal to 0 as defined by the relationship (2x + 2), where x is either 4 or 5.) Polysilanesiloxane copolymer comprising units. xが5である、請求項1に記載のポリシランシロキサンコポリマー。   The polysilanesiloxane copolymer according to claim 1, wherein x is 5. 前記PSSXコポリマーがSi−C共有結合を含まない、請求項1又は2に記載のポリシランシロキサンコポリマー。   The polysilanesiloxane copolymer according to claim 1 or 2, wherein the PSSX copolymer does not contain a Si-C covalent bond. ポリシランシロキサン(PSSX)コポリマーの調製方法であって、
ペルアルコキシオリゴシラン、アルコキシクロロオリゴシラン、及びこれらの混合物の群から選択される所定の数のモノマーを供給する工程と、
前記モノマーをプロトン性溶媒中に混合して、反応混合物を形成する工程と、
前記反応混合物中の前記モノマーを加水分解して、PSSXコポリマーを形成する工程と、
を含む、方法。
A process for preparing a polysilanesiloxane (PSSX) copolymer comprising:
Supplying a predetermined number of monomers selected from the group of peralkoxy oligosilanes, alkoxychlorooligosilanes, and mixtures thereof;
Mixing the monomers in a protic solvent to form a reaction mixture;
Hydrolyzing the monomer in the reaction mixture to form a PSSX copolymer;
Including a method.
所定の数のペルアルコキシオリゴシラン、又はアルコキシクロロオリゴシランモノマーを供給する前記工程が、一般式:
Si(OR)Cl
(式中、Rは、アルキル基であり、wは、0又は1のいずれかであり、xは、4又は5のいずれかであり、y及びzは、0以上の数であり、w=0及びx=5のとき、(y+z)=(2x+2)であり、又はw=1及びx=4のとき、(y+z)=9である。)を有するモノマーを使用する、請求項4に記載の方法。
Said step of supplying a predetermined number of peralkoxyoligosilane or alkoxychlorooligosilane monomers has the general formula:
H w Si x (OR) y Cl z
(Wherein, R is an alkyl group, w is either 0 or 1, x is either 4 or 5, y and z are 0 or more, and w = Use of monomers having (y + z) = (2x + 2) when 0 and x = 5, or (y + z) = 9 when w = 1 and x = 4). the method of.
Rが、メチル基及びエチル基の群から選択される1つである、請求項5に記載の方法。   The method according to claim 5, wherein R is one selected from the group of a methyl group and an ethyl group. 前記モノマーが、Si[Si(OMe)、Si[Si(OMe)[Si(OMe)Cl]、HSi[Si(OMe)、及びこれらの混合物の群から1つ選択される、請求項4〜6のいずれか一項に記載の方法。 The monomer is 1 from the group of Si [Si (OMe) 3 ] 4 , Si [Si (OMe) 3 ] 3 [Si (OMe) 2 Cl], HSi [Si (OMe) 3 ] 3 , and mixtures thereof. The method according to any one of claims 4 to 6, wherein one is selected. 前記反応混合物中の前記モノマーを加水分解する前記工程が、前記プロトン性溶媒中に存在する過剰の酸性水を使用する、請求項4〜7のいずれか一項に記載の方法。   The method according to any one of claims 4 to 7, wherein the step of hydrolyzing the monomer in the reaction mixture uses an excess of acidic water present in the protic solvent. 前記モノマーをプロトン性溶媒中に混合する前記工程が、メチルアルコール、エチルアルコール、及びイソプロピルアルコールの群から1つ選択されるプロトン性溶媒を使用する、請求項4〜8のいずれか一項に記載の方法。   9. The process of any one of claims 4 to 8, wherein the step of mixing the monomer into a protic solvent uses a protic solvent selected from the group of methyl alcohol, ethyl alcohol, and isopropyl alcohol. the method of. 前記プロトン性溶媒をフィルム形成溶媒で置き換える工程を更に含む、請求項4〜9のいずれか一項に記載の方法。   The method according to any one of claims 4 to 9, further comprising the step of replacing the protic solvent with a film-forming solvent. 基板上に二酸化ケイ素層を調製する方法であって、
請求項4〜10のいずれか一項に記載のポリシランシロキサン(PSSX)コポリマーを調製する工程と、
基板を供給する工程と、
前記基板に前記PSSXコポリマーを適用して、PSSXフィルムを形成する工程と、
前記PSSXフィルムを酸化して二酸化ケイ素層を形成する工程と、
を含む、方法。
A method for preparing a silicon dioxide layer on a substrate, comprising:
Preparing a polysilanesiloxane (PSSX) copolymer according to any one of claims 4-10;
Supplying a substrate;
Applying the PSSX copolymer to the substrate to form a PSSX film;
Oxidizing the PSSX film to form a silicon dioxide layer;
Including a method.
前記PSSXフィルムを酸化して二酸化ケイ素層を形成する工程が、
前記PSSXフィルムを、蒸気又は酸素ガスの群から選択される1つに暴露する工程と、
前記PSSXフィルムを所定の時間、約600℃未満に加熱する工程と、
を含む酸化プロセスを用いる、請求項11に記載の方法。
Oxidizing the PSSX film to form a silicon dioxide layer;
Exposing the PSSX film to one selected from the group of steam or oxygen gas;
Heating the PSSX film for less than about 600 ° C. for a predetermined time;
The method of claim 11, wherein an oxidation process comprising:
前記二酸化ケイ素層を不活性雰囲気下で所定時間アニーリングする工程を更に含む、請求項11又は12に記載の方法。   The method according to claim 11 or 12, further comprising annealing the silicon dioxide layer for a predetermined time under an inert atmosphere. 基板に前記PSSXコポリマーを適用する前記工程が、スピンコーティング、フローコーティング、及びディップコーティングの群から1つ選択される方法を用いる、請求項11〜13のいずれか一項に記載の方法。   14. The method according to any one of claims 11 to 13, wherein the step of applying the PSSX copolymer to a substrate uses a method selected from the group of spin coating, flow coating and dip coating. 電子デバイスにおける誘電体又はバリア材として使用される二酸化ケイ素層であって、前記二酸化ケイ素層が、請求項11〜14のいずれか一項に記載の方法に従って調製されている、二酸化ケイ素層。   A silicon dioxide layer used as a dielectric or barrier material in an electronic device, wherein the silicon dioxide layer is prepared according to the method of any one of claims 11-14. 電子デバイスであって、前記電子デバイスが、基板と、前記基板と接触した二酸化ケイ素層とを備え、前記二酸化ケイ素層が、請求項11〜14のいずれか一項に記載の方法に従って調製されており、
前記二酸化ケイ素層が、誘電体又はバリア材として使用するのに十分な密度を有する、電子デバイス。
15. An electronic device, the electronic device comprising a substrate and a silicon dioxide layer in contact with the substrate, wherein the silicon dioxide layer is prepared according to the method of any one of claims 11-14. And
An electronic device wherein the silicon dioxide layer has a density sufficient to be used as a dielectric or barrier material.
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